En la física de los diodos emisores de luz , la recombinación de electrones y huecos de electrones en un semiconductor produce luz (o radiación infrarroja), un proceso llamado " electroluminiscencia". La longitud de onda de la luz producida depende de la banda prohibida de energía de los semiconductores utilizados. Dado que estos materiales tienen un alto índice de refracción, se requieren características de diseño de los dispositivos, como recubrimientos ópticos especiales y forma de matriz, para emitir luz de manera eficiente. El LED es una fuente de luz de larga duración, pero ciertos mecanismos pueden causar una pérdida lenta de eficiencia del dispositivo o una falla repentina. La longitud de onda de la luz emitida es una función de la banda prohibida del material semiconductor utilizado; materiales como el arseniuro de galio, y otros, con varios elementos traza de dopaje, se utilizan para producir diferentes colores de luz. Otro tipo de LED utiliza un punto cuánticoque puede tener sus propiedades y longitud de onda ajustadas por su tamaño. Los diodos emisores de luz se utilizan ampliamente en funciones de indicación y visualización, y los LED blancos están desplazando a otras tecnologías para fines de iluminación general.
Electroluminiscencia
En un LED, una unión p – n emite luz cuando la corriente eléctrica fluye a través de ella. Esta es la electroluminiscencia . Los electrones se cruzan desde la región n y se recombinan con los huecos existentes en la región p. Los electrones libres se encuentran en la banda de conducción de los niveles de energía, mientras que los huecos se encuentran en la banda de energía de valencia . Por tanto, el nivel de energía de los huecos es más bajo que los niveles de energía de los electrones. Una parte de la energía debe disiparse para recombinar los electrones y los huecos. Esta energía se emite en forma de calor y luz.
Los electrones disipan energía en forma de calor para los diodos de silicio y germanio, pero en los semiconductores de fosfuro de arseniuro de galio (GaAsP) y fosfuro de galio (GaP), los electrones disipan energía emitiendo fotones . Si el semiconductor es translúcido, la unión se convierte en la fuente de luz, convirtiéndose así en un diodo emisor de luz.
La longitud de onda de la luz emitida, y por tanto su color, depende de la energía de la banda prohibida de los materiales que forman la unión pn . En los diodos de silicio o germanio , los electrones y los huecos suelen recombinarse mediante una transición no radiativa , que no produce emisión óptica, porque son materiales de banda prohibida indirecta . Los materiales utilizados para el LED tienen una banda prohibida directa con energías correspondientes a la luz del infrarrojo cercano, visible o ultravioleta cercano.
El desarrollo de LED comenzó con dispositivos infrarrojos y rojos hechos con arseniuro de galio . Los avances en la ciencia de los materiales han permitido fabricar dispositivos con longitudes de onda cada vez más cortas, que emiten luz en una variedad de colores.
Los LED generalmente se construyen sobre un sustrato de tipo n , con un electrodo unido a la capa de tipo p depositado en su superficie. Los sustratos de tipo P , aunque son menos comunes, también ocurren. Muchos LED comerciales, especialmente GaN / InGaN, también utilizan sustrato de zafiro .
Índice de refracción
Los semiconductores desnudos sin recubrimiento, como el silicio, exhiben un índice de refracción muy alto en relación con el aire. Los fotones que se acercan a la superficie en un ángulo demasiado grande con respecto a la perpendicular experimentan una reflexión interna total . Esta propiedad afecta tanto a la eficiencia de emisión de luz de los LED como a la eficiencia de absorción de luz de las células fotovoltaicas . El índice de refracción del silicio es 3.96 (a 590 nm), [2] mientras que el índice de refracción del aire es 1.0002926. [3]
En general, una superficie plana LED sin revestir emite de chips semiconductores única luz que llega casi perpendicular a la superficie del semiconductor, en una forma de cono que se refiere como el cono de luz , cono de luz , [4] o el cono de escape . [1] Los fotones que llegan a la superficie de forma más oblicua, con un ángulo de incidencia que excede el ángulo crítico , experimentan una reflexión interna total y regresan al interior del cristal semiconductor como si su superficie fuera un espejo . [1]
Los reflejos internos pueden escapar a través de otras caras cristalinas si el ángulo de incidencia es lo suficientemente bajo y el cristal es lo suficientemente transparente como para no reabsorber la emisión de fotones. Pero para un LED cuadrado simple con superficies en ángulo de 90 grados en todos los lados, todas las caras actúan como espejos de ángulos iguales. En este caso, la mayor parte de la luz no puede escapar y se pierde como calor residual en el cristal. [1]
Una superficie de chip enrevesada con facetas en ángulo similares a una joya o lente de Fresnel puede aumentar la salida de luz al distribuir la luz perpendicular a la superficie del chip y lejos de los lados del punto de emisión de fotones. [5]
La forma ideal de un semiconductor con máxima salida de luz sería una microesfera con la emisión de fotones ocurriendo en el centro exacto, con electrodos penetrando hasta el centro para contactar en el punto de emisión. Todos los rayos de luz que emanan del centro serían perpendiculares a toda la superficie de la esfera, lo que no produciría reflejos internos. Un semiconductor hemisférico también funcionaría, con la superficie posterior plana como espejo para los fotones retro-dispersados. [6]
Recubrimientos de transición
Después del dopaje de la oblea , generalmente se corta en troqueles individuales . Cada dado se denomina comúnmente chip.
Muchos chips semiconductores LED están encapsulados o empaquetados en plástico sólido moldeado transparente o coloreado. La encapsulación plástica tiene tres propósitos:
- Montar el chip semiconductor en dispositivos es más fácil de lograr.
- El cableado eléctrico diminuto y frágil está apoyado físicamente y protegido contra daños.
- El plástico actúa como un intermediario refractivo entre el semiconductor de índice relativamente alto y el aire libre de índice bajo. [7]
La tercera característica ayuda a aumentar la emisión de luz del semiconductor al reducir los reflejos de fotones de Fresnel dentro del cono de luz. Un revestimiento plano no aumenta directamente el tamaño del cono de luz en el semiconductor; proporciona un ángulo de cono intermedio más ancho en el revestimiento, pero el ángulo crítico entre los rayos en el semiconductor y en el aire más allá del revestimiento no cambia. Sin embargo, con un revestimiento curvo o encapsulado, la eficiencia se puede aumentar aún más.
Eficiencia y parámetros operativos
Los indicadores LED típicos están diseñados para funcionar con no más de 30 a 60 milivatios (mW) de energía eléctrica. Alrededor de 1999, Philips Lumileds introdujo LED de potencia capaces de uso continuo a un vatio . Estos LED utilizan tamaños de matriz de semiconductores mucho más grandes para manejar las grandes entradas de energía. Además, los troqueles de semiconductores se montaron en tacos de metal para permitir una mayor disipación de calor del troquel de LED.
Una de las principales ventajas de las fuentes de iluminación basadas en LED es la alta eficacia luminosa . Los LED blancos rápidamente igualaron y superaron la eficacia de los sistemas de iluminación incandescentes estándar. En 2002, Lumileds puso a disposición LED de cinco vatios con una eficacia luminosa de 18 a 22 lúmenes por vatio (lm / W). A modo de comparación, una bombilla incandescente convencional de 60–100 vatios emite alrededor de 15 lm / W, y las luces fluorescentes estándar emiten hasta 100 lm / W.
A partir de 2012[actualizar], Philips había logrado las siguientes eficacias para cada color. [8] Los valores de eficiencia muestran la física: potencia de salida de luz por entrada de potencia eléctrica. El valor de eficacia de lumen por vatio incluye características del ojo humano y se obtiene utilizando la función de luminosidad .
Color | Rango de longitud de onda (nm) | Coeficiente de eficiencia típico | Eficacia típica ( lm / W ) | |
---|---|---|---|---|
rojo | 620 < λ <645 | 0,39 | 72 | |
Naranja roja | 610 < λ <620 | 0,29 | 98 | |
Verde | 520 < λ <550 | 0,15 | 93 | |
Cian | 490 < λ <520 | 0,26 | 75 | |
Azul | 460 < λ <490 | 0,35 | 37 |
En septiembre de 2003, Cree demostró un nuevo tipo de LED azul . Esto produjo una luz blanca empaquetada comercialmente que proporcionó 65 lm / W a 20 mA, convirtiéndose en el LED blanco más brillante disponible comercialmente en ese momento, y más de cuatro veces más eficiente que las incandescentes estándar. En 2006, demostraron un prototipo con una eficacia luminosa de LED blanco récord de 131 lm / W a 20 mA. Nichia Corporation ha desarrollado un LED blanco con una eficacia luminosa de 150 lm / W a una corriente directa de 20 mA. [9] Los LED XLamp XM-L de Cree, disponibles comercialmente en 2011, producen 100 lm / W a su potencia máxima de 10 W, y hasta 160 lm / W a alrededor de 2 W de potencia de entrada. En 2012, Cree anunció un LED blanco con 254 lm / W, [10] y 303 lm / W en marzo de 2014. [11] La iluminación general práctica necesita LED de alta potencia, de un vatio o más. Las corrientes de operación típicas para tales dispositivos comienzan en 350 mA.
Estas eficiencias son solo para el diodo emisor de luz, mantenido a baja temperatura en un laboratorio. Dado que los LED instalados en dispositivos reales funcionan a temperaturas más altas y con pérdidas de controladores, las eficiencias en el mundo real son mucho más bajas. Las pruebas del Departamento de Energía de los Estados Unidos (DOE) de lámparas LED comerciales diseñadas para reemplazar las lámparas incandescentes o CFL mostraron que la eficacia promedio todavía era de aproximadamente 46 lm / W en 2009 (el rendimiento probado varió de 17 lm / W a 79 lm / W). [12]
Caída de eficiencia
La caída de la eficiencia es la disminución de la eficacia luminosa de los LED a medida que aumenta la corriente eléctrica .
Inicialmente se pensó que este efecto estaba relacionado con temperaturas elevadas. Los científicos demostraron lo contrario: aunque la vida útil de un LED se acorta, la caída de eficiencia es menos severa a temperaturas elevadas. [13] El mecanismo que causa la caída de la eficiencia se identificó en 2007 como recombinación Auger . [14] [15]
Además de ser menos eficientes, el funcionamiento de los LED a corrientes eléctricas más altas genera más calor, lo que puede comprometer la vida útil del LED. Los LED de alto brillo a menudo operan a 350 mA, que es un compromiso entre la salida de luz, la eficiencia y la longevidad. [14]
En lugar de aumentar los niveles de corriente, la luminancia suele incrementarse combinando varios LED en una bombilla. Resolver el problema de la caída de la eficiencia significaría que las bombillas LED domésticas necesitarían menos LED, lo que reduciría significativamente los costos.
Los investigadores del Laboratorio de Investigación Naval de EE. UU. Han encontrado una manera de reducir la caída de la eficiencia. Descubrieron que la caída surge de la recombinación Auger no radiativa de los portadores inyectados. Crearon pozos cuánticos con un potencial de confinamiento suave para disminuir los procesos de Auger no radiativos. [dieciséis]
Investigadores de la Universidad Central Nacional de Taiwán y Epistar Corp están desarrollando una forma de disminuir la caída de la eficiencia mediante el uso de sustratos cerámicos de nitruro de aluminio (AlN), que son más conductores térmicos que el zafiro comercialmente utilizado. La conductividad térmica más alta reduce los efectos de autocalentamiento. [17]
Vida y fracaso
Los dispositivos de estado sólido, como los LED, están sujetos a un desgaste muy limitado si se operan a bajas corrientes y a bajas temperaturas. La vida útil típica indicada es de 25.000 a 100.000 horas, pero los ajustes de calor y corriente pueden alargar o acortar este tiempo de forma significativa. [18] Es importante señalar que estas proyecciones se basan en una prueba estándar que puede no acelerar todos los mecanismos potenciales que pueden inducir fallas en los LED. [19]
El síntoma más común de falla del LED es la disminución gradual de la salida de luz. También pueden ocurrir fallas repentinas, aunque raras. Los primeros LED rojos se destacaron por su corta vida útil. Con el desarrollo de LED de alta potencia, los dispositivos están sujetos a temperaturas de unión más altas y densidades de corriente más altas que los dispositivos tradicionales. Esto causa estrés en el material y puede causar una degradación temprana de la salida de luz. La vida útil de un LED se puede dar como el tiempo de funcionamiento al 70% o 50% de la salida inicial. [20]
A diferencia de las lámparas de combustión o incandescentes, los LED solo funcionan si se mantienen lo suficientemente fríos. El fabricante normalmente especifica una temperatura máxima de unión de 125 o 150 ° C, y se recomiendan temperaturas más bajas en aras de una larga vida útil. A estas temperaturas, la radiación pierde relativamente poco calor, lo que significa que el haz de luz generado por un LED es frío.
El calor residual en un LED de alta potencia se conduce a través del dispositivo a un disipador de calor , que disipa el calor al aire circundante. Dado que la temperatura máxima de funcionamiento del LED es limitada, se deben calcular las resistencias térmicas del paquete, el disipador de calor y la interfaz. Los LED de potencia media a menudo están diseñados para soldarse directamente a una placa de circuito impreso que contiene una capa de metal termoconductora. Los LED de alta potencia están empaquetados en paquetes de cerámica de área grande que se adhieren a un disipador de calor de metal usando grasa térmica u otro material para conducir el calor.
Si una lámpara LED no tiene circulación de aire libre, es probable que el LED se sobrecaliente, lo que reduce la vida útil o falla prematuramente. El diseño térmico del sistema debe tener en cuenta la temperatura ambiente que rodea a la lámpara; una lámpara en un congelador experimenta un ambiente más bajo que una lámpara en una valla publicitaria en un clima soleado. [21]
Materiales
Los LED están hechos de una variedad de materiales semiconductores inorgánicos . La siguiente tabla muestra los colores disponibles con rango de longitud de onda, caída de voltaje y material:
Color | Longitud de onda [nm] | Caída de voltaje [ΔV] | Material semiconductor | |
---|---|---|---|---|
Infrarrojo | λ > 760 | Δ V <1,63 | Arseniuro de galio (GaAs) Arseniuro de galio y aluminio (AlGaAs) | |
rojo | 610 < λ <760 | 1,63 <Δ V <2,03 | Arseniuro de aluminio y galio (AlGaAs) Fosfuro de arseniuro de galio (GaAsP) Fosfuro de aluminio, galio e indio (AlGaInP) Fosfuro de galio (III) (GaP) | |
naranja | 590 < λ <610 | 2,03 <Δ V <2,10 | Fosfuro de arseniuro de galio (GaAsP) Fosfuro de aluminio, galio e indio (AlGaInP) Fosfuro de galio (III) (GaP) | |
Amarillo | 570 < λ <590 | 2,10 <Δ V <2,18 | Fosfuro de arseniuro de galio (GaAsP) Fosfuro de aluminio, galio e indio (AlGaInP) Fosfuro de galio (III) (GaP) | |
Verde | 500 < λ <570 | 1,9 [22] <Δ V <4,0 | Verde tradicional: Fosfuro de galio (III) (GaP) Fosfuro de indio, galio y aluminio (AlGaInP) Fosfuro de galio y aluminio (AlGaP) Verde puro: Nitruro de galio indio (InGaN) / Nitruro de galio (III) (GaN) | |
Azul | 450 < λ <500 | 2,48 <Δ V <3,7 | Seleniuro de zinc (ZnSe) Nitruro de indio y galio (InGaN) Zafiro sintético , Carburo de silicio (SiC) como sustrato con o sin epitaxia, Silicio (Si) como sustrato, en desarrollo (la epitaxia en el silicio es difícil de controlar) | |
Violeta | 400 < λ <450 | 2,76 <Δ V <4,0 | Nitruro de galio indio (InGaN) | |
Ultravioleta | λ <400 | 3 <Δ V <4,1 | Nitruro de galio indio (InGaN) (385-400 nm) Diamante (235 nm) [23] | |
Rosa | Varios tipos | Δ V ≈3,3 [28] | Azul con una o dos capas de fósforo, amarillo con fósforo rojo, naranja o rosa añadido posteriormente, blanco con plástico rosa, | |
Púrpura | Varios tipos | 2,48 <Δ V <3,7 | LED dobles azul / rojo, azul con fósforo rojo o blanco con plástico violeta | |
blanco | Amplio espectro | 2,8 <Δ V <4,2 | Blanco frío / puro: Diodo azul / UV con fósforo amarillo Blanco cálido: Diodo azul con fósforo naranja |
LED de puntos cuánticos
Los puntos cuánticos (QD) son nanocristales semiconductores con propiedades ópticas que permiten que su color de emisión se sintonice desde el espectro visible al infrarrojo. [30] [31] Esto permite que los LED de puntos cuánticos creen casi cualquier color en el diagrama CIE . Esto proporciona más opciones de color y una mejor reproducción del color que los LED blancos, ya que el espectro de emisión es mucho más estrecho, característico de los estados cuánticos confinados.
Hay dos tipos de esquemas para la excitación QD. Uno usa fotoexcitación con un LED de fuente de luz primaria (generalmente se usan LED azules o UV). La otra es la excitación eléctrica directa demostrada por primera vez por Alivisatos et al. [32]
Un ejemplo del esquema de fotoexcitación es un método desarrollado por Michael Bowers, en la Universidad de Vanderbilt en Nashville, que implica recubrir un LED azul con puntos cuánticos que brillan en blanco en respuesta a la luz azul del LED. Este método emite una luz cálida de color blanco amarillento similar a la que producen las bombillas incandescentes . [33] También se está considerando el uso de puntos cuánticos en diodos emisores de luz blanca en televisores con pantalla de cristal líquido (LCD). [34]
En febrero de 2011, los científicos de PlasmaChem GmbH pudieron sintetizar puntos cuánticos para aplicaciones LED y construir un convertidor de luz sobre su base, que pudo convertir de manera eficiente la luz de azul a cualquier otro color durante muchos cientos de horas. [35] Dichos QD se pueden utilizar para emitir luz visible o infrarroja cercana de cualquier longitud de onda que sea excitada por luz con una longitud de onda más corta.
La estructura de los LED QD utilizados para el esquema de excitación eléctrica es similar al diseño básico de los OLED . Una capa de puntos cuánticos está intercalada entre capas de materiales transportadores de electrones y transportadores de huecos. Un campo eléctrico aplicado hace que los electrones y los huecos se muevan hacia la capa de puntos cuánticos y se recombinen formando un excitón que excita un QD. Este esquema se estudia comúnmente para la visualización de puntos cuánticos . La capacidad de sintonización de las longitudes de onda de emisión y el ancho de banda estrecho también son beneficiosas como fuentes de excitación para la formación de imágenes por fluorescencia. Se ha demostrado la microscopía óptica de barrido de campo cercano de fluorescencia ( NSOM ) que utiliza un QD-LED integrado. [36]
En febrero de 2008, se logró una eficacia luminosa de 300 lúmenes de luz visible por vatio de radiación (no por vatio eléctrico) y emisión de luz cálida mediante el uso de nanocristales . [37]
Referencias
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enlaces externos
- Física de diodos emisores de luz en Curlie
- Video educativo sobre LED en YouTube